非均质砂砾岩水压致裂的数值模拟方法与实验研究

摘要

水压致裂(或称水力压裂)是非常规油气资源储层改造的主要技术手段。低渗透砂砾岩储层在我国陆相致密油气藏中赋存广泛,但由于深层砂砾岩储层具有埋深大、渗透率低和非均质性强等特点,其水压致裂机理与改造技术一直是工程界与学术界关注的重大前沿课题。由于现场观测技术和实验室测试手段面临的困难,数值模拟成为认识和定量描述非均质砂砾岩水压致裂特征与影响因素的一种有效手段。然而,由于在获取深层砂砾岩岩心、非均质砂砾数值模型构建、裂缝扩展模拟、网格剖分、大尺度模型的算法效率以及实验验证等方面的挑战,非均质砂砾岩水压致裂的数值模拟方法成为人们普遍关注的难点问题。本文开展的主要研究工作如下:(1)利用取自油田现场的典型深层非均质砂砾岩岩心,采用X射线衍射、微焦点CT成像与图像分析等实验手段与方法,获得了天然砂砾岩的组成成分、砂砾的物性、几何特征与空间分布规律以及砂砾岩的宏观物理力学性能,构建了具有与天然砂砾岩一致的砂砾属性、分布特征及物理力学性能的三维物理模型和数值计算模型;(2)发展了非均质砂砾岩水压致裂连续-非连续过程的数值模拟方法,改进了复杂砂砾结构的三维并行有限元-离散元模拟技术,实现了三维砂砾岩压裂缝网的高效、可靠模拟,获得了不同地应力差影响下非均质砂砾岩压裂裂缝扩展的三维空间形态与展布特征,分析了砂砾空间分布对水压致裂裂缝扩展规律的影响;发展了考虑流-固耦合效应的砂砾岩压裂裂缝扩展的有限元-离散元-有限体积方法,实现了非均质砂砾岩裂缝扩展中固体、流体演化过程模拟,讨论了流-固耦合效应下的水压致裂诱发的裂缝破坏类型(拉伸裂缝、剪切裂缝等),提出了表征压裂缝网复杂程度的分形指标。针对砂砾岩储层水压致裂过程中的滤失和诱发微地震等现象,发展了考虑流-固耦合与滤失效应的砂砾岩压裂裂缝扩展的自适应有限元-离散元模拟方法,定量分析并揭示了非均质砂砾的几何与分布特征对压裂裂缝扩展、汇聚、滤失以及微地震效应的影响规律;(3)研制了与天然砂砾岩的砂砾分布特征以及宏观物理力学性质相一致的砂砾岩物理重构模型,开展了真三轴水压致裂和缝网CT成像的物理实验研究。测试和分析了天然砂砾岩的组成成分、非均质砂砾的物性、几何特征与空间分布特征;利用人工制备混凝土试件的级配选择与配制方法,制备了砂砾岩物理模型,通过真三轴水压致裂实验,分析了不同地应力水平、不同砂砾分布特征的砂砾岩模型水压致裂裂缝扩展行为和展布规律,并与数值模拟结果进行了对比。本文研究表明:(1)水压致裂过程中的流-固耦合与滤失效应是影响砂砾岩水压致裂裂缝扩展的重要因素。本文所提出的基于天然砂砾岩组成成分与结构特征构建的砂砾岩三维数字重构模型、考虑非均质砂砾岩水压致裂连续-非连续特征、流-固耦合及滤失效应的压裂裂缝扩展的有限元-离散元-有限体积模拟方法,可以有效地模拟和定量地分析压裂裂缝的非连续扩展行为以及非均匀分布砂砾对非连续扩展行为的影响,所获得的三维裂缝扩展及空间展布规律与砂砾岩物理模型真三轴水压致裂实验结果相一致。对比以往的数值模拟方法发现:能否准确地反映砂砾岩组成成分与结构特征以及是否考虑流-固耦合及滤失效应将显著影响水压致裂裂缝扩展与空间形态的模拟结果。(2)非均质砂砾的几何与分布特征是影响砂砾岩水压致裂裂缝扩展、缝网形态以及诱发微地震的重要因素。压裂裂缝扩展到砂砾岩砂砾边缘时,砂砾阻碍裂缝扩展,导致裂缝停止扩展或绕砂砾边缘扩展;砂砾数目越多阻碍裂缝扩展的作用越大;砂砾的分布特征显著影响压裂裂缝的扩展与空间展布;随着砂砾粒径级配的增加,裂缝扩展的总长度、体积以及滤失量呈现先减小、后增加的趋势;砂砾周围易诱发形成微地震事件。(3)低渗透储层地应力水平是控制水压致裂裂缝扩展行为的主要因素。随着地应力差增加,低渗透砂砾岩压裂缝网的分形维数呈现逐步降低的趋势,当水平地应力比接近2.0时,压裂裂缝易形成单缝,缝网的分形维数达到最小。不同地应力差条件下,砂砾岩的水压致裂裂缝均以张拉裂缝为主,井筒附近出现少数的剪切裂缝。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 研究现状及分析

1.2.1 理论分析与模型

1.2.2 物理模型实验

1.2.3 数值模拟分析

1.3 本文的研究内容和方法

2 基于CT图像的非均质砂砾岩的三维重构模型

2.1 非均质砂砾岩的物理力学性质测试

2.1.1 矿物成分分析

2.1.2 力学性质测试

2.2 CT成像技术和图像处理方法

2.2.1 CT成像技术

2.2.2 图像处理方法

2.3 基于CT成像的模型重构方法

2.4 非均质砂砾岩的三维数值及物理模型

2.5 小结

3 考虑流-固耦合效应的非均质砂砾岩水压致裂的数值模拟

3.1 裂缝扩展分析的有限元-离散元方法

3.1.1 控制方程

3.1.2 断裂准则

3.1.3 GPU并行计算方法

3.2 三维压裂缝网扩展行为影响因素的数值计算分析

3.2.1 非均质砂砾岩三维数值和物理重构模型

3.2.2 不同地应力差影响的数值模拟结果

3.2.3 砂砾影响的数值模拟结果

3.3 裂缝扩展分析的有限元-离散元改进方法

3.3.1 不同地应力差影响的数值模拟结果

3.3.2 砂砾影响的数值模拟结果

3.4 流-固耦合下压裂裂缝扩展分析的有限元-离散元-有限体积方法

3.4.1 固体控制方程

3.4.2 流体控制方程

3.4.3 断裂准则

3.4.4 连续-非连续分析的有限元-离散元-有限体积方法

3.5 流-固耦合下压裂缝网扩展行为的数值计算分析

3.5.1 非均质砂砾岩典型层的二维数值重构模型

3.5.2 流-固耦合下压裂裂缝扩展的数值计算流程

3.5.3 流-固耦合效应分析

3.5.4 均质与非均质模型裂缝扩展规律的对比

3.5.5 压裂裂缝类型分析

3.5.6 压裂缝网的分形表征

3.6 小结

4 砂砾岩压裂的砂砾组分影响和微地震模拟分析

4.1 压裂裂缝扩展分析的自适应有限元-离散元方法

4.1.1 固体控制方程

4.1.2 流体控制方程

4.1.3 裂缝内流体滤失模型

4.1.4 断裂准则

4.1.5 裂缝扩展分析的自适应有限元-离散元方法

4.2 水压致裂诱发微地震模拟方法

4.3 非均质砂砾岩含砂砾层的二维数值重构模型

4.4 非均质砂砾岩压裂裂缝扩展和微地震分析的数值计算流程

4.5 不同砂砾组分下砂砾岩压裂缝网扩展行为的数值模拟结果

4.5.1 裂缝与砂砾交汇扩展行为分析

4.5.2 砂砾对压裂液流速和滤失的干扰分析

4.5.3 砂砾分布、数目和级配影响的数值模拟结果

4.5.4 砂砾周围微地震分析

4.6 小结

5 非均质砂砾岩水压致裂的物理模型实验

5.1 压裂缝网扩展行为影响因素的物理实验研究

5.1.1 人工物理模型制备

5.1.2 真三轴水压致裂实验系统与方法

5.1.3 不同地应力差影响的物理实验分析

5.1.4 砂砾影响的物理实验分析

5.2 不同砂砾组分下砂砾岩压裂缝网扩展行为的物理实验研究

5.2.1 不同砂砾组分的砂砾岩物理模型制备

5.2.2 真三轴水压致裂实验系统与实验方法

5.2.3 砂砾分布、数目、级配影响的物理实验结果

5.3 压裂裂缝扩展的数值模拟与物理实验结果的对比

5.3.1 三维压裂缝网

5.3.2 考虑流-固耦合效应的压裂缝网

5.3.3 考虑不同砂砾组分影响的压裂缝网

5.4 小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

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